间种式植物人工湿地对校园生活污水净化的效果研究

段梦瑶 段誉梅 赵磊 李兴南 朱芳雨 张雨豪 李佳伟 龚丹丹 王芮 李莉

摘要 [目的] 研究人工湿地景观设计效果及不同人工湿地植物对生活污水的处理效果。[方法] 选择美人蕉+菖蒲+野菱+轮叶黑藻构成人工湿地植物组合，测定该组合对试验水样NH3-N、CODCr、TP的去除率。[结果] 组合植物对NH3-N的削弱作用最为显著，其次是CODCr、TP。水力停留时间3 d对NH3-N、CODCr、TP的去除率分别为：50.25%～99.40%、37.10%～72.83%、-28.48%～91.81%;最高去除率分別为99.40%、72.83%、91.81%。第一周期到第四周期NH3-N、CODCr、TP的去除效率曲线表明：曲线的斜率呈现出增加趋势。[结论] 该研究可为复合人工湿地植物群落对生活污水的去除效果提供重要的运行参数和技术支持。

关键词 人工湿地;菖蒲;野菱;生活污水

中图分类号 S181.3 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）33-11836-03

Research on Removal Efficiency of Interplanting Constructed Wetland Plants on Domestic Sewage from Campus

DUAN Meng-yao， DUAN Yu-mei， ZHAO Lei* et al （Department of Agricultural Science， Xichang College， Xichang， Sichuan 615000）

Abstract [Objective] The research aimed to study the effects of landscape design and the treatment effects of different constructed wetland plants on domestic sewage.[Method] Taken constructed wetland plants combination of Canna indica+ Acorus calamus Linn+ Trapa incise +Hydrilla verticillata as materials， and its removal efficiencies on NH3-N， CODCr and TP were determined.[Result] The results showed that constructed wetland plants combination had the best removal efficiency on NH3-N， followed with CODCr and TP. During 3 d hydraulic retention time， the removal efficiency on NH3-N， CODCr and TP was 50.25%-99.40%， 37.10%-72.83% and -28.48%-91.81%， with highest rates of 99.40%， 72.83% and 91.81%， respectively. The slope of removal efficiency curves of NH3-N， CODCr and TP from first cycle to fourth cycle demonstrated increasing trends.[Conclusion] This study could provide important operation parameters and technological supports for the removal effects of domestic sewage using plants community from combined constructed wetland.

Key words Constructed wetland; Acorus calamus Linn; Trapa incise; Domestic sewage

基金项目 国家级大学生创新创业训练计划项目（201210628002）。

作者简介 段梦瑶（1994- ），女，四川眉山人，本科生，专业：烟草。*通讯作者，本科生，专业：资源环境与城乡规划管理。

收稿日期 2014-10-20

人工湿地污水处理系统始于20世纪70年代的德国，它是一项生态学原理加上工程方法而形成的生态工程水处理技术。人工湿地通过湿地基质、植物与微生物的相互作用达到净化水质、美化环境的功能，已在国内外得到广泛应用[1-2]。它具有投资费用低，出水水质好，抗冲击力强，改善和美化生态景观，操作简单，维护和运行费用低廉等优点，植物可进行收割回收资源，具有经济效益和生态效益。

湿地植物的选择是湿地系统设计的核心，湿地中的水生植物有挺水、浮叶、浮水和沉水植物，不同的植物、不同的组合具有不同去污效果。植物发达的根系使系统内侵蚀沟不容易形成，植物根系的生长使系统不容易被阻塞; 另外，大部分植物外形美观可以起到美化环境的作用。张洪洋等研究发现，水平潜流人工湿地系统对微污染原水有较好的处理效果，植物生长旺盛程度直接影响整个系统的处理效果[3]。韩潇源等的组合试验结果表明，适当的水生植物组合能提高氨氮与总磷的净化效果[4]。李莎莎等对湿地植物群落物种组合和空间格局对水体净化效果的研究表明，3种植物配置对生活污水的净化效果比2种植物配置模式的好[5]。适当增加沉水植物的配置比例，可提高人工湿地对氮的去除效果;根系发达的植物具有更强的净化效果。

间种式植物人工湿地往往是结合挺水植物、浮水植物以及沉水植物进行间种，这样可以充分利用光能和CO2，更有利于湿地植物对生活污水中污染物的去除。已有大量研究证明湿地植物具有净化水质的作用[6-7]。不同湿地植物的生长速度，对污染物吸收转化能力、提供氧气能力等存在显著差异，从而使得净化功能不同[8]，而不同物种或同一物种在不同湿地环境中净化效果也有较大差异，所以选择搭配多种湿地植物，有利于植物间优势互补，保持对营养及有机物较好且更稳定地净化效果，使湿地系统更稳定地发挥生态功能。已有试验证明，多种植物合理搭配具有较好的处理效果[9-10]。且沉水植物通过根部吸收底质中的氮，植物体吸收水中的氮，从而比浮水植物具有更强的富集氮的能力[11]。李莎莎等研究表明，选择合适的植物配置，可以增加系统的生物多样性并且有利于净化效果的增强[5]。但目前关于间种式植物人工湿地组合去除生活污水的研究很少，因此间种式植物人工湿地充分利用自然条件，既有利于植物生长，又能发挥其去污能力的优点为该研究提供了思路。该研究构造不同植物间种式组合的人工湿地，采用挺水植物菖蒲（Acorus calamus）+挺水植物美人蕉（Canna indica）+浮水植物野菱（Trapa incisa）+沉水植物轮叶黑藻（Hydrilla verticillata），研究其去除CODcr、NH3-N和TP等方面的效果，以期为复合人工湿地植物群落对生活污水的去除提供重要的运行参数和技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试植物

试验植物采自天然湿地生长植物。组合植物为挺水植物美人蕉和菖蒲，浮水植物野菱，沉水植物轮叶黑藻，其数量分别为6、8、5和10株。采栽时间为2013年5月上旬。间种式人工湿地植物在装置中栽种位置如图1所示。

注：图中①、②、③、④分别表示美人蕉、菖蒲、野菱、轮叶黑藻。

图1 装置植物间种式机构示意

1.2 试验水质 水样取自于西昌市西昌学院北校区生活污水，试验水质各项理化指标中pH为7.8～8.2，NH3-N、CODcr和TP分别为2.7～9.2、80～110、0.3～1.7 mg/L。此水样为轻度富营养化水体。

1.3 试验装置 试验在人工湿地装置中进行，规格为1.3 m×1.0 m×0.8 m。装置基质为最下层2 cm的细沙和栽种植物的18 cm土壤（见图2）。池中采用均匀取样，分为5个点取样，分别为装置周围4个角加上装置中间一个点，取5个水样点后混合为一个进水或出水水样。出水水样和进水水样的采样方式相同。

图2 人工湿地装置结构示意

1.4 试验方案

移栽植物后，待长势稳定，用清水驯养7 d后，进行生活污水处理试验。分别向装置中进水15 L、30 L、45 L、60 L、75 L、90 L，然后用自来水稀释至装置40 cm处，共进行6个周期试验，每3 d测定一次指标，3个水质指标中某个指标达到国家地表水环境质量标准（GB 3838-2002）三级以上，则在该周期之后的试验期间不测定达标指标，当3个水质指标都达到排放标准时，结束该周期试验。6个周期试验结束后，将地面上植物全部收割，作为氮肥和磷肥的原料。

1.5 试验器材及测定方法

电阻炉（kxx-A-10 A）、可见光分光光度计（722N）、电子天平（ESJ120-4）、pH计（PHS-25）。 测定的方法：水质指标CODCr、TP、NH3-N和pH分别采用重铬酸盐法（GB 11914-89）、钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）、纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009）、玻璃电极法 （GB 6920-86）。

2 结果与分析

2.1 间种式人工湿地植物的景观效果

由于该试验的种植方式以及对植物的选择不同于以往单一型的人工湿地，所以在沉水、浮水、挺水植物的交叉搭配中，更能体现层次感和多样性，给人以视觉上的美感。试驗在选择植物时，充分考虑了植物的生长周期及本地的天气情况，能确保人工湿地内全年都有水生植物生长，避免了秋冬季节植物地上部分枯死的情况。

2.2 植物的生长状况

2013年5月下旬进行植物组合移栽，并进行日常维护。6月初，植物均能正常生长，引进生活污水进行试验。人工湿地系统中，去除效率随着植株密度的增大而提高，植株生长越茂盛，根系越发达，对于污水的净化能力就越强[12]。在第一、二和三周期，所有植物的生长量都明显增加，根系逐渐粗壮，叶片变宽变大，叶尖组织水分饱满，茎秆与引种时相比明显变粗，移栽时美人蕉和菖蒲平均高度分别为65 cm和54 cm，试验结束后平均高度分别为137 cm和149 cm;第三周期到第四周期，野菱和轮叶黑藻到枯萎期，叶片大幅度地变黄并开始枯萎，野菱结出大量果实，菖蒲少数叶片出现萎蔫症状，美人蕉生长较好。菖蒲具有较大的处理水质浊度的效果，在每个试验周期结束后水质良好、透明并散发清香气味。

2.3 人工湿地对生活污水中氨氮的去除效果

人工湿地对氮的去除主要依靠植物生长直接吸收和微生物的硝化、反硝化、氨化等作用完成[13]。生活污水中的氨氮可以作为植物生长过程中不可缺少的养分被植物吸收，从而促进植物生长，达到对生活污水中氨氮的有效去除。由图3可知，间种植物人工湿地对水体中氨氮的去除效果很明显，不同浓度的生活污水中的氨氮均能得到有效净化，且水体中的氨氮均能在一定的时期内降到1.0 mg/L及以下。随着运行时间的增加，去除效果和去除率从总体上看均呈上升趋势。由于每个周期处理时间存在差异，从第一周期到第六周期的水力停留3 d的去除率分别为：82.56%、87.37%、96.99%、50.25%、89.13%、99.40%，其最高去除率为99.40%。上述数据表明：植物组合对NH3-N的去除效果较好，而第四周期水力停留3 d的去除率仅为50.25%，去除效果较差，可能由于在第四周期时，前面3个周期植物吸收氮之后植物的生长量增加，植物的枯枝败叶也同时增加，由于没有及时清理植物的枯枝败叶导致掉入湿地中，之前吸收的氮通过水解作用又重新释放到了水中从而导致第四周期去除率出现异常情况。

图3 组合植物对不同浓度NH3-N的去除效果

2.4 人工湿地对生活污水中CODCr的去除效果

人工湿地对CODCr的去除机理为：在人工湿地系统中，废水中的可溶性有机物通过植物根系在生长过程中形成生物膜进行吸附、吸收及生物降解而被分解去除，而废水中的不溶性有机物主要是通过湿地的过滤、沉淀作用而被截留在人工湿地中[14]。由图4可知，植物组合对水体中CODCr的去除率效果虽不如氨氮显著，但对CODCr也具有一定的去除效果。除第一周期外，其他周期均能经过3～9 d的处理时间把CODCr含量降到50 mg/L以下，第一周期至第六周期水力停留3 d去除率分别为：37.10%、72.83%、56.82%、57.30%、62.00%、53.81%，最高去除率为72.83%。而第一周期的去除率较低，为37.10%，可能由于学校周末学生用水量增加，相关的有机污染物含量也同时增加，从而导致第一周期的CODCr进水浓度升高，增加了自身间种式植物人工湿地的去除污染物的负荷，导致去除效果不理想。而第二周期至第六周期去除率稳定到50%以上，主要是因为经过第一周期高负荷的工作后驯化了间种式人工湿地的去污能力，使间种式植物人工湿地的去污能力得到了提高。

图4 组合植物对不同浓度CODCr的去除效果

2.5 模拟人工湿地装置中水体总磷（TP）的变化

生活污水中的无机磷在植物的吸收以及同化作用下变成植物的ATP、DNA和RNA等有机成分，即在第一周期到第二周期间种植物人工湿地对TP的去除效果经过水力停留3 d后去除率上升，这可能是由于植物地上部分对磷的吸收达饱和状态[15]。由图5可知，6个周期试验中，对总磷的去除效果总的来说较好，在3～6 d试验期间能控制在0.1 mg/L及以下，水力停留3 d去除率分别为：67.21%、67.90%、91.81%、-28.48%、70.07%、48.30%，最高能达到91.81%。TP在第四周期出现去除效果明显异常和氨氮在第四周期去除效果出现异常相一致，同样也是由于植物枯枝败叶溶解于水体中，磷溶解进入水体速率大于植物对磷的吸收，而导致水体中磷

含量的上升。这也说明清理间种式植物人工湿地的枯枝败叶有利于提高人工湿地去除氮磷能力。

3 结论

（1）该间种式植物组合处理生活污水效果好，处理后水质透明度变好，水质清澈，水体的酸碱性趋于中性（pH为7.31～7.94）。

（2）水质指标逐渐下降，组合植物对污染物的去除效果

图5 组合植物对不同浓度TP的去除效果

大小依次为NH3-N、CODCr、TP，对TP的去除效果较低。水力

停留3 d NH3-N、CODCr、TP去除率分别为：50.25%～99.40%、37.10%～72.83%、-28.48%～91.81%;最高去除率分别为99.40%、72.83%、91.81%。

（3）6个周期试验中CODCr、TP和NH3-N浓度均达到国家地表水Ⅲ级排放标准。

参考文献

[1]代明利，欧阳威，培斌，等.垂直流人工湿地处理官厅水库入库水研究[J].中国给水排水，2003，19（3）：4-7.

[2] 李建娜，胡曰利，吳晓芙，等.人工湿地污水处理系统中的植物氮、磷吸收富集能研究[J]. 环境污染与防治，2007，29（7）：506-509.

[3] 张洪洋，于水利，修春海，等.水平潜流人工湿地系统处理微污染原水的研究[J].环境工程学报，2008，2（11）：1447-1450.

[4] 韩潇源，宋志文，李培英.高效净化氮磷污水的湿地水生植物筛选与组合[J].湖泊科学，2008，20（6）：741-747.

[5] 李莎莎，田昆，刘云根，等.不同空间配置的湿地植物群落对生活污水的净化作用研究[J].生态环境学报，2010，19（8）：1951-1955.

[6] 夏汉平.人工湿地处理污水的机理与效率[J].生态学杂志，2002，21（4）：51-59.

[7] 李云鹏，李怡庭，刘景哲，等.松嫩平原湖泡湿地水化学特征及净化水质作用研究[J].东北水利水电，2001，12（19）：39-43.

[8] 梁威，吴振斌，詹发萃，等.人工湿地植物根区微生物与净化效果的季节变化[J].湖泊科学，2004，16（4）：312-317.

[9] 白峰青，郑丙辉，田自强.水生植物在水污染控制中的生态效应[J].环境科学与技术，2004，27（4）：99-100.

[10] 金相灿，颜昌宙，许秋瑾.太湖北岸湖滨带观测场水生植物群落特征及其影响因素分析[J]. 湖泊科学，2007，19（2）：151-157.

[11] 郭和蓉，卢小良.水生植物净化水环境与水生植被的修复[J].长江大学学报：自然科学版，2005，2（5）：65-68.

[12] 宁静，鲁敏，裴翡翡，等.人工湿地植物受污水胁迫存在的问题与解决对策[J].山东建筑大学学报，2011，26（2）：149-152.

[13] 张军，周琪，何蓉.表面流人工湿地中氮磷的去除机理[J].生态环境，2004，13（1）：98-101.

[14] KASEVEA E.Performance of a surface flow constructed wetland in polishing pretreated wastewater-a tropical case study[J].Water Science and Technology，1997，35（5）：19-25.

[15] 张俊萍.橐吾（Ligularia）对畜禽废水净化能力和耐污能力研究[D].雅安：四川农业大学，2011.